摘　要

　　在制造先進復合材料中，費用結構是由加工成本所主導。在RTM中，也需要在全過程包括預成型中降低加工成本倜期時間。Tecnalia公司推出了一種新型的全自動高能效三維預成型單元，它克服了一部分限制。
　　在制造先進復合材料部件中的費用結構是由加工成本所主導，在某些情況下它占到整個成本的70％。這個因素還限制了一些大規模生產應用的產能。在成本敏感的應用中，如汽車工業，這是一個特別重要的限制。汽車工業正在要求采用更多的復合材料，使得新型汽車如電動車或限制CO₂排放的新一代汽車能進一步減重。同樣，在航空工業中，新的項目正瞄準高生產率，因此有興趣來降低加工成本和周期時間。在RTM制造零部件中，由于傳統較長的注射和固化周期，以及一般都是勞動密集型的預成型工藝，因此加工成本，時間也是一個問題。特別是傳統的熱成型過程，使用傳統的加熱模具或烘箱，通常涉及到大量的人工操作，并消耗許多時間和能源進行加熱／激活粘結劑。
　　在這個背景下，Tecnalia公司開發了一種新型全自動單元(圖1)，用于制造小型，中型三維干預成型物，主要使用粘結劑。該單元是為使用復合材料零部件／結構件的主要領域而準備的。

　　主要的目的是降低整個預成型周期時間，提高加工能力、可重復性和質量控制，同時減少涉及該過程的能耗和可消耗材料。
　　這種先進的預成型單元中的主要創新和功能是(1)一個全自動的處理／預包覆末端受動器，(2)一種基于直接電阻加熱的快速高能效選擇性激活系統，(3)一個可以覆蓋不同形狀的靈活的壓實系統，(4)一個基于人工視覺的自動檢測系統。

1　織物自動處理、預包覆和預固定

　　通過使用機械手和末端受動器，該系統把所有操作人員進行的一般人工織物預處理步驟自動化，如織物處理、調整／折疊成三維形狀和固定到預成型模具上。
　　先，把二維織物圖案放在一個臺面上，通過抓放系統連續抓取不同的織物層。該系統
是以一臺擬人機械手和一個末端受動器(圖2)為基礎，帶有幾個真空抓取器，每個抓取器有不同的自由度和獨立的動作可能性。這些動作通過機電促動器實施并用一個特定的PLC控制。織物通過真空抓取器抓取，它能根據二維圖案的具體形狀自動調整到位。

　　一旦織物被抓取后，它被送到放置預成型模具的鋪放臺上。此時，織物被放在預成型模具上。為了把織物鋪放在復雜的形狀上，抓放系統改動了真空抓取器的結構，以使它適應和預包覆在三維模具鋪放形狀上。為了避免不希望的動作、變形或鋪層的偏離，末端受動器可以用帶有額外自由度的特殊真空抓取器固定一些局部激活的區域，同時周圍的參考點仍然全
部固定在模具上。

2　通過人工視覺的自動檢測

　　一旦織物圖案鋪放在預成型模具上，單元使用一種基于人工視覺的裝置(圖3)實施自動檢測步驟，確保放置正確。單元可以在鋪放過程中檢測鋪層，使用一種先進的立體視覺檢測系統。該系統能自動檢測出典型的錯誤(皺折、位置或纖維方向錯誤)并向操作人員發出警報，在需要的地方進行糾正。這些檢測可以在每層鋪放之間進行，或者作為預成型過程中的后一步進行。

3　快速、高能效的激活和后預成型壓實

　　一旦預定的鋪層數被鋪放好，就自動進行激活、固結和壓實步驟。針對這個步驟，開發了一種創新的一次注射系統，它采用可重復使用的高伸長膜系統，特別適應于復雜形狀，它施加必要的壓力/真空，同時熱激活粘結劑(圖4)以壓實整個預成型物。開發了一個基于直接電阻加熱的選擇性先進加熱技術用于粘結劑激活(圖4)，這樣提供了一個快速加熱和冷卻循環，并且大幅度降低了能耗。

4　演示部件：翼肋

　　為了生產不同的演示預成型物，按照項目技術的開發階段，上述新的功能被集成在一個全尺寸的工業演示單元上，并采用相應的控制軟件。生產和研究的演示部件之一是基于一種通用翼肋(圖5)的要求和形狀，考慮到翼結構通常有大量相似的肋，但在尺寸上有一些不同。該預成型物有一個帶有不同截面的U形。它約700毫米長，2毫米厚，使用6層碳纖維織物層和一種需要在90℃左右激活的粘結劑。

　　根據針對該演示所進行的工藝驗證，開發的這個單元顯示了前景良好的結果，特別是有關整個加工時間和大幅降低的能源消耗。對于所提到的原型，加工周期范圍在10到12分鐘，包括織物處理、檢測、激活加熱、壓實、冷卻和脫模。用于激活加熱的能耗可以減少達70％，這是因為能量被直接用于碳纖維中，沒有像在烘箱中或其他傳統過程中一樣，間接地通過模具或通過空氣。

5　結論

　　開發的這種預成型單元主要好處是它提供了全自動制造三維干預成型物，大幅降低了全過程周期(從數小時到數分鐘)，它采用一個能夠應對各種形狀的壓實系統，提高了質量控制和可重復性，大量的各種可用材料／織物包括各種碳纖維和玻璃纖維預成型物(從低重量貼面層到重型織物)，同時由于選擇性加熱導致了一個非常低的能耗。
　　Tecnalia公司已經實現了主要的技術目標并驗證了全尺寸的單元。同時已經為該單元的新功能和使能技術申請了。在這種情況下，Tecnalia公司現在正和復合材料價值鏈上的幾家不同的工業公司接觸，準備在幾個不同領域中實施這項技術。